不同小麥品種種子萌發(fā)生長、葉片葉綠素含量和熒光動力學(xué)特征差異分析

張 輝,張蓓蓓,景 琦,校思澤,武悅萱

(陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/寶雞文理學(xué)院,陜西 寶雞 721013)

0 前言

小麥作為世界上分布最廣泛的禾本科植物之一,在我國糧食作物種植面積上也名列前茅[1]。小麥品種的選擇無論從生態(tài)學(xué)角度還是經(jīng)濟(jì)學(xué)角度,都具有較高的研究和應(yīng)用價(jià)值[2]。小麥想要取得高產(chǎn)首先要從加強(qiáng)光合作用的“源”能力著手,光合作用的場所是葉綠體,其中,葉片葉綠體中的葉綠素含量直接影響光合產(chǎn)物形成,最終影響產(chǎn)量[3-4]。

葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)和光合作用關(guān)系十分密切,當(dāng)強(qiáng)光照射植物時(shí),熒光起到保護(hù)作用,避免過量光能灼傷光合機(jī)構(gòu);在自然光照條件下,葉綠素?zé)晒夂凸夂纤俾室话愠守?fù)相關(guān)關(guān)系。因此葉綠素?zé)晒饪梢宰鳛樘綔y植物生長狀況和光合特性的重要指標(biāo),具有便捷、靈敏、快速、無損傷等特點(diǎn),其參數(shù)包含非常豐富的生理信息,近年來為小麥光合生理的研究提供了技術(shù)手段[5-6]。王佩舒等對高溫脅迫下小麥的熒光特征進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示反映PSII光合能力的葉綠素?zé)晒鈪?shù)均隨溫度升高而下降[7];楊霞等對干旱環(huán)境下小麥頂二葉葉片的熒光特征進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示隨著干旱程度的加劇,葉綠素含量、光量子產(chǎn)額等降低[8];王秀田等研究了低溫馴化對小麥葉綠素?zé)晒獾挠绊?結(jié)果顯示隨著溫度的降低,光量子產(chǎn)額等參數(shù)值下降[9]。寶雞地區(qū)位于東西過渡與南北相銜接地帶,屬長江與黃河水系的分水嶺,多年平均氣溫為11～13 ℃,年降水量為600～900 mm[10]。諸多學(xué)者認(rèn)為,寶雞地區(qū)為氣候變化的敏感區(qū),高溫、干旱及低溫極端天氣狀況經(jīng)常出現(xiàn),其獨(dú)特的自然地理環(huán)境在小麥種植栽培選擇上有重要意義[11]。近年來,為了響應(yīng)小麥栽培和生產(chǎn)的“以市場為導(dǎo)向,以優(yōu)質(zhì)為核心,不斷加快小麥?zhǔn)袌龌M(jìn)程”的政策[12],本研究以4個(gè)小麥品種為研究對象,分析了小麥幼苗期葉片葉綠素含量和熒光動力學(xué)參數(shù)差異,旨在為小麥種植品種的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥品種有4個(gè)，為周麥27號、九麥2號、陜墾6號和寶研85號。

1.2 試驗(yàn)材料處理與培養(yǎng)

于2017年12月15日用12 mm培養(yǎng)皿培養(yǎng)小麥種子,挑選顆粒飽滿、完整的小麥種子,每盤100顆種子,用0.1 %的HgCl2消毒10 min,再用蒸餾水沖洗3遍,然后鋪上濾紙進(jìn)行培養(yǎng),所有培養(yǎng)皿放置在寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)室Fytosys人工培養(yǎng)箱內(nèi)[每天光照時(shí)間為12 h,光強(qiáng)為1000 μmol/(m2·s),溫度為25 ℃/15 ℃],每個(gè)品種6次重復(fù)。每天補(bǔ)水兩次,每天觀測發(fā)芽情況；在12月22日進(jìn)行生長指標(biāo)(根長、芽長、根重和芽重)、葉綠素含量和熒光動力學(xué)參數(shù)的測定。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 種子生長指標(biāo)的測定 芽長為胚軸與芽之間的過渡點(diǎn)開始到芽末端的長度;根長為胚軸與根之間的過渡點(diǎn)開始到根末端的長度[13]。種子生長指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

發(fā)芽率(%)=7 d發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%[14]；

發(fā)芽勢(%)=3 d發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%[15]；

發(fā)芽指數(shù)GI=∑(Gt/Dt)[14]；

活力指數(shù)VI=發(fā)芽指數(shù)(GI)×芽長度(cm)[16]。

上式中,Gt為第t天的發(fā)芽數(shù);Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

1.3.2 葉綠素含量的測定 將水培第7天的小麥葉片剪下，稱取0.2 g葉片,用25 mL 95 %乙醇提取葉片葉綠素,并利用分光光度計(jì)分別在波長665、649、470 nm處測定吸光度,計(jì)算葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素的含量以及葉綠素a/b的值[17]。

1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定和快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線的繪制 在水培小麥第7天上午9:00,隨機(jī)選取不同品種小麥葉片,首先進(jìn)行20 min的暗適應(yīng),然后利用FluroPen 100 MAX(FP100,捷克)進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定,利用3個(gè)葉片熒光參數(shù)的平均值繪制葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線(OJIP),熒光參數(shù)如表1所示[18]。為了去除葉片雜質(zhì)和其他因素的影響,對o-p曲線標(biāo)準(zhǔn)化，得到相對可變熒光Vo-p的時(shí)間對應(yīng)曲線,其計(jì)算公式為:Vo-p=(Ft-Fo)/(Fp-Fo)= (Ft-Fo)/(Fm-Fo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理;用SPSS 21.0進(jìn)行one way-ANOVA分析；用LSD法對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)和多重比較;采用Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥品種種子萌發(fā)、生長差異分析

將不同小麥品種的種子萌發(fā)、生長差異列于表2。由表2可以看出：不同品種間發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和根重差異均達(dá)到極顯著水平,芽重差異達(dá)到顯著水平；在各品種中，以九麥2號的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、根重和芽重最高，以周麥27號的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)最低，以陜墾2號的根重和芽重較低。

表1 葉片葉綠素?zé)晒饣緟?shù)和衍生參數(shù)分析

表2 不同小麥品種種子萌發(fā)、生長差異分析結(jié)果

2.2 不同小麥品種葉片葉綠素含量差異分析

由表3可以看出：4個(gè)小麥品種的葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均達(dá)到顯著差異,以九麥2號、寶研85號的葉綠素含量較高,以周麥27號的葉綠素含量最低；不同品種間葉綠素a/b值未達(dá)到顯著差異。

表3 不同小麥品種葉片葉綠素含量(鮮重)差異分析結(jié)果

2.3 不同小麥品種葉片葉綠素基本熒光參數(shù)差異分析

由表4看出：不同小麥品種間葉綠素基本熒光參數(shù)都達(dá)到顯著差異,各熒光參數(shù)強(qiáng)度以九麥2號最高,以寶研85號次之; J點(diǎn)(FJ)熒光強(qiáng)度以周麥27號最低,I點(diǎn)(FI)和P點(diǎn)(Fm)熒光強(qiáng)度以陜墾2號最低。

2.4 不同小麥品種葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線差異分析

圖1為4個(gè)小麥品種葉片的OJIP曲線,由圖1和表4可見,不同品種葉片OJIP曲線各時(shí)間點(diǎn)和形態(tài)有所差異,O點(diǎn)和P點(diǎn)以九麥2號的熒光強(qiáng)度最強(qiáng),寶研85號次之,陜墾2號最低。通過O點(diǎn)差異開始,隨著J點(diǎn)和I點(diǎn)差異的積累,到達(dá)P點(diǎn)時(shí)差異達(dá)到最大。

表4 不同小麥品種葉片葉綠素基本熒光參數(shù)差異分析結(jié)果

圖1 不同小麥品種葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線形態(tài)

為了更準(zhǔn)確地分析各小麥品種間熒光動力學(xué)的差異性,對圖1中的曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到O-P段標(biāo)準(zhǔn)化后的相對可變熒光曲線(圖2)。由圖2可以看出,標(biāo)準(zhǔn)化后不同品種間O點(diǎn)無差異,J點(diǎn)以陜墾2號的相對熒光強(qiáng)度最高,I點(diǎn)以九麥2號的相對熒光強(qiáng)度最強(qiáng)。

圖2 不同小麥品種葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線標(biāo)準(zhǔn)化后O-P段形態(tài)

2.5 不同小麥品種葉片葉綠素?zé)晒庋苌鷧?shù)差異分析

對不同小麥品種葉片葉綠素?zé)晒庋苌鷧?shù)進(jìn)行差異分析,結(jié)果列于表5。由表5可知,不同品種間Fv/Fo差異顯著,代表了PSⅡ反應(yīng)中心的活性,以寶研85號最高,九麥2號最低。Tro/RC代表了被單位反應(yīng)中心捕獲的光量,各品種以九麥2號最高;單位反應(yīng)中心用于電子傳遞的能量ETo/RC以九麥2號最高;單位反應(yīng)中心熱耗散的能量DIo/RC以陜墾2號最高,九麥2號最低。以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)(PIABS)以陜墾2號最低;φPo為最大光量子產(chǎn)量，其在不同小麥品種間差異不顯著；φo以九麥2號最高,以陜墾2號最低;用于電子傳遞的量子產(chǎn)額(φEo)以九麥2號最高,以陜墾2號最低;用于熱耗散的量子比率(φDo)以陜墾2號最高,以九麥2號最低。

2.6 不同小麥品種葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)與種子萌發(fā)指標(biāo)及葉片葉綠素含量間的相關(guān)性分析

由表6可以看出,葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)與種子萌發(fā)指標(biāo)達(dá)到極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與葉片葉綠素含量也達(dá)到顯著正相關(guān)關(guān)系,且與葉綠素b含量的相關(guān)性較強(qiáng),與葉綠素a/b呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。種子萌發(fā)指標(biāo)與葉綠素含量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,活力指數(shù)與葉綠素a/b呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05,r=-0.50)。

表5 不同小麥品種葉片葉綠素基本熒光衍生參數(shù)差異分析結(jié)果

表6 小麥葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)與種子萌發(fā)指標(biāo)及葉片葉綠素含量之間的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論與討論

小麥被認(rèn)為是世界上最重要的谷物,其中,我國小麥總種植面積約2419萬hm2,產(chǎn)量約12885萬t,陜西省小麥種植面積約110萬hm2,產(chǎn)量約450萬t[19]。小麥地方品種的萌發(fā)特性和幼苗相關(guān)參數(shù)變化很大,萌發(fā)期和幼苗期是其生長發(fā)育的初始階段,該階段萌發(fā)特性和生長發(fā)育性能直接關(guān)系到小麥后期的成苗與產(chǎn)量[20]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，在人工氣候箱培養(yǎng)條件下，4個(gè)小麥品種間萌發(fā)指標(biāo)呈顯著差異,以九麥2號的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)最高，以周麥27號的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)最低(表2)。這與Datta等的研究結(jié)果相似,表明這些試驗(yàn)指標(biāo)與小麥的基因型有關(guān)[21]。

小麥產(chǎn)量和生物量的積累主要依靠葉片的光合作用,因此葉片葉綠素含量可作為判斷小麥生長發(fā)育狀況的重要參考指標(biāo)[22]。本研究結(jié)果表明，在相同環(huán)境條件下，不同小麥品種的葉片葉綠素含量達(dá)到了顯著差異,其中以九麥2號、寶研85號的葉綠素含量較高,以周麥27號的葉綠素含量最低(表3)。生物量積累(根重和芽重)結(jié)果顯示,不同小麥品種間差異顯著,也以九麥2號的值最大。該結(jié)果主要是由基因型不同造成的。

前人對小麥葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究結(jié)果[22]顯示:不同品種小麥的葉綠素?zé)晒馓匦杂忻黠@的差異。在本試驗(yàn)中，熒光參數(shù)強(qiáng)度以九麥2號最高,寶研85號次之; J點(diǎn)(FJ)熒光強(qiáng)度以周麥27號最低,I點(diǎn)(FI)和P點(diǎn)(Fm)熒光強(qiáng)度以陜墾2號最低(表4)。說明基因型差異可造成小麥葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度的差異。對葉片進(jìn)行快速熒光動力學(xué)誘導(dǎo)時(shí),雖然光照面積和強(qiáng)度完全相同,但是不同基因型小麥葉片的OJIP曲線差異性較大。在本研究中，不同品種小麥葉片熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線有典型的O、J、I、P相,不同品種在各時(shí)間點(diǎn)和形態(tài)上有所差異,O點(diǎn)和P點(diǎn)以九麥2號的熒光強(qiáng)度最強(qiáng),寶研85號次之,陜墾2號最低(圖1);J點(diǎn)處熒光強(qiáng)度以九麥2號最強(qiáng)；J-I段和I-P段以九麥2號的次級醌受體(QB)和質(zhì)體醌庫(PQ庫)的還原情況較好。但是試驗(yàn)中有一些不可避免的干擾因素,為了去除這些干擾因素,對熒光強(qiáng)度運(yùn)用Fm-Fo進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。從圖2可以看出，標(biāo)準(zhǔn)化后不同品種間葉綠素相對熒光強(qiáng)度在O點(diǎn)無差異,在J點(diǎn)(VJ)以陜墾2號較高,說明陜墾2號的PSⅡ受體側(cè)QA向QB傳遞受阻,PQ庫接受電子能力降低;以九麥2號的VJ值較低,表示該品種PSⅡ受體側(cè)電子由QA向QB傳遞過程沒有受到明顯的抑制作用[23]。

能量模型表明植物PSⅡ系統(tǒng)中的位點(diǎn)對不同外界環(huán)境和基因型的敏感性有所不同[24]。本試驗(yàn)結(jié)果(表5)顯示葉片的Tro/RC、ETo/RC、φo、φEo以陜墾2號較低,說明該品種的活性反應(yīng)中心(RCs)轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔钚缘姆磻?yīng)中心,從而降低了PSⅡ的能量捕獲和電子傳輸；DIo/RC、φDo以陜墾2號最高，這與前人對小麥葉片的研究結(jié)果[25]相似。葉片葉綠素a主要與光能的吸收和轉(zhuǎn)換有關(guān),葉綠素b主要與光能的吸收和傳遞有關(guān)。本文結(jié)果顯示，小麥葉片葉綠素含量與熒光參數(shù)之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(表6),說明葉綠素含量及熒光參數(shù)值均可作為植物光合作用及生長發(fā)育的生理指標(biāo),指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

總之，小麥不同基因型在種子萌發(fā)生長過程和光合作用中有一定的差異性,以九麥2號的萌發(fā)生長和光合作用較強(qiáng),以陜墾2號較弱；小麥葉片葉綠素含量與光合熒光參數(shù)之間存在正相關(guān)關(guān)系,可作為常規(guī)指標(biāo)共同運(yùn)用在小麥品種的選擇和栽培工作方面。